Летучие мыши обычно живут огромными стаями в пещерах, в которых они прекрасно ориентируются в полной темноте. Влетая и вылетая из пещеры, каждая мышь издает неслышимые нами звуки. Одновременно эти звуки издают тысячи мышей, но это никак не мешает им прекрасно ориентироваться в пространстве в полной темноте и летать, не сталкиваясь друг с другом. Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей темноте, не натыкаясь на препятствия? Удивительное свойство этих ночных животных – умение ориентироваться в пространстве без помощи зрения – связано с их способностью испускать и улавливать ультразвуковые волны.
Оказалось, что во время полёта мышь излучает короткие сигналы на частоте около 80 кГц, а затем принимает отражённые эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых.
Для того, чтобы сигнал был препятствием отражён, наименьший линейный размер этого препятствия должен быть не меньше длины волны посылаемого звука. Использование ультразвука позволяет обнаружить предметы меньших размеров, чем можно было бы обнаружить, используя более низкие звуковые частоты. Кроме того, использование ультразвуковых сигналов связано с тем, что с уменьшением длины волны легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации.
Реагировать на тот или иной объект мышь начинает на расстоянии порядка 1 метра, при этом длительность посылаемых мышью ультразвуковых сигналов уменьшается примерно в 10 раз, а частота их следования увеличивается до 100–200 импульсов (щелчков) в секунду. То есть, заметив объект, мышь начинает щелкать более часто, а сами щелчки становятся более короткими. Наименьшее расстояние, которое мышь может определить таким образом, составляет примерно 5 см.
Во время сближения с объектом охоты летучая мышь как бы оценивает угол между направлением своей скорости и направлением на источник отражённого сигнала и изменяет направление полёта так, чтобы этот угол становился все меньше и меньше.
Может ли летучая мышь, посылая сигнал частотой 80 кГц, обнаружить мошку размером 1 мм? Скорость звука в воздухе принять равной 320 м/с. Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
Для ультразвуковой эхолокации мыши используют волны частотой
1) менее 20 Гц
2) от 20 Гц до 20 кГц
3) более 20 кГц
4) любой частоты
Конец формы
Начало формы
Умение великолепно ориентироваться в пространстве связано у летучих мышей с их способностью излучать и принимать
1) только инфразвуковые волны
2) только звуковые волны
3) только ультразвуковые волны
4) звуковые и ультразвуковые волны
Запись звука
Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта в 1877 году американским изобретателем Т.А. Эдисоном. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.
На рисунке 1 дана упрощенная схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т.д.) попадают в рупор 1, в котором закреплена тонкая упругая пластинка 2, называемая мембраной. Под действием звуковой волны мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу 3, острие которого чертит при этом на вращающемся диске 4 звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру. На рисунке показан вид звуковых бороздок на пластинке, рассматриваемых через лупу.
Диск, на котором производится звукозапись, изготавливается из специального мягкого воскового материала. С этого воскового диска гальванопластическим способом снимают медную копию (клише). При этом используется осаждение на электроде чистой меди при прохождении электрического тока через раствор ее солей. Затем с медной копии делают оттиски на дисках из пластмассы. Так получают граммофонные пластинки.
При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят пластинку во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним колеблется и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.
При механической записи звука используется камертон. При увеличении времени звучания камертона в 2 раза
1) длина звуковой бороздки увеличится в 2 раза
2) длина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза
3) глубина звуковой бороздки увеличится в 2 раза
4) глубина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза
Конец формы
Поверхностное натяжение
В окружающем нас мире повседневных явлений действует сила, на которую обычно не обращают внимания. Сила эта сравнительно невелика, её действие не вызывает мощных эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воду в стакан, вообще ничего не можем проделать с той или иной жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, которые называются силами поверхностного натяжения.Эти силы в природе и в нашей жизни играют немалую роль. Без них мы не могли бы писать перьевой ручкой, из неё сразу вылились бы все чернила. Нельзя было бы намылить руки, поскольку пена не смогла бы образоваться. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма.
Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения у плохо закрытого или неисправного водопроводного крана. Капля растёт постепенно, со временем образуется сужение – шейка, и капля отрывается.
Вода оказывается как бы заключённой в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда сила тяжести превысит его прочность. В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведёт себя как растянутая эластичная плёнка.
Такое же впечатление производит плёнка мыльного пузыря. Она похожа на тонкую растянутую резину детского шарика. Если осторожно положить иглу на поверхность воды, то поверхностная плёнка прогнётся и не даст игле утонуть. По этой же причине водомерки могут скользить по поверхности воды, не проваливаясь в неё.
В своём стремлении сократиться поверхностная плёнка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения по сравнению с силой тяжести. Поэтому маленькие капельки близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга.
Причиной поверхностного натяжения является межмолекулярное взаимодействие. Молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем молекулы жидкости и молекулы воздуха, поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости стремятся сблизиться друг с другом и погрузиться вглубь жидкости. Это позволяет жидкости принимать форму, при которой число молекул на поверхности было бы минимальным, а минимальную поверхность при данном объёме имеет шар. Поверхность жидкости сокращается, и это приводит к поверхностному натяжению.
Красивую мифологическую легенду рассказывает Овидий в "Метаморфозах" о молодой нимфе, которая в один прекрасный день влюбилась в молодого и очень красивого юношу Нарцисса. Однако он остался равнодушен к ней и предпочел проводить все время, наклонившись к воде, чтобы любоваться отражением своего красивого образа. В конце концов он решил обнять собственное изображение, упал в реку и утонул. Отчаявшись, нимфа сошла с ума. Ее голос, блуждая повсюду, отвечает всем крикам в лесах и горах.
Овидий, узник Томиса, не думал, что между "эхом" нежной нимфы и ночным родом летучих мышей будет установлена тайная связь.
Первый шаг сделал итальянский ученый Ладзаро Спалланцани, который летом 1783 года сотни раз посещал колокольню кафедрального собора в Падуе, чтобы проделать чрезвычайно интересные опыты с летучими мышами, которые гроздьями висели на запыленном выступе свода храма. Сначала он протянул множество тонких нитей между потолком и полом, затем снял несколько летучих мышей, залепил им воском глаза и отпустил. На другой день поймал летучих мышей с залепленными глазами и с удивлением заметил, что их желудок полон комаров. Следовательно, этим животным не нужны глаза для ловли насекомых. Спалланцани сделал вывод, что летучие мыши имеют неизвестное седьмое чувство, с помощью которого они ориентируются в полете.
Зная об опытах Спалланцани, швейцарский естествоиспытатель Шарль Жюрин решил замазать уши летучих мышей воском. Он получил неожиданный результат: летучие мыши были не способны различать окружающие предметы, бились о стены. Чем можно объяснить такое поведение летучих мышей? Разве маленькие животные видят ушами?
Известный французский анатом и палеонтолог Жорж Кювье, высокоавторитетный ученый своего времени в области биологии, отрицал исследования Спалланцани и Жюрина и выдвинул довольно смелую гипотезу. Летучие мыши, говорил Кювье, обладают тончайшим чувством осязания, находящимся на очень тонкой кожице крыльев, чувствительных к малейшему давлению воздуха, которое образуется между крыльями и препятствием.
Такая гипотеза более 150 лет бытовала в мировой науке.
В 1912 году изобретатель автоматического пулемета Максим совершенно случайно выдвинул гипотезу о том, что летучие мыши ориентируются с помощью эха, получаемого от шума собственных крыльев; он предложил построить на этом принципе аппарат для предупреждения судов о приближении айсбергов.
Голландец С. Дийкграаф в 1940 году и советский ученый А. Кузякин в 1946 году ясно показали, что органы осязания не играют никакой роли в ориентировании летучих, мышей. Таким образом, была развеяна гипотеза, которая просуществовала 150 лет. Американские ученые Д. Гриффин и Р. Галамбос сумели дать подлинное объяснение ориентированию летучих мышей. При помощи прибора для обнаружения ультразвуков они установили, что летучие мыши издают множество звуков, не воспринимаемых ухом человека. Они сумели обнаружить и изучить физические свойства "крика" летучих мышей. Воткнув в уши летучих мышей специальные электроды, американские ученые установили вместе с тем и частоту звуков, воспринимаемых их слухом. Следовательно, прогресс науки и техники позволить объяснение одной из волнующих тайн природы. Известно, что с физической точки зрения звук - это колебательные движения, распространяющиеся в форме волн в упругой среде. Частота звука (следовательно его высота) зависит от ела колебаний в секунду. Уши человека воспринимают колебания воздуха от 16 до 20000 Гц. Воспринимаемые человеком звуки частотой более 20000 Гц называются ультразвуками, они могут быть очень легко продемонстрированы при помощи введенной в воду кварцевой пластинки под давлением. При этом шум кварцевой пластинки не слышен, а видны результаты ее вибрации в форме вихрей и даже брызг, воды. С помощью кварца можно получить колебания до миллиарда герц.
Ультразвук находит ныне широкое применение. С помощью ультразвука можно обнаружить самые мелкие трещины или пустоты в структуре отлитых из металла деталей. Он применяется вместо скальпеля в бескровных хирургических операциях на мозге и при резке и шлифовке сверхтвердых деталей.
Летучие мыши используют ультразвук для ориентирования. Ультразвук образуется вибрацией голосовых связок. По своей структуре гортань похожа на свисток. Выдыхаемый легкими воздух выходит с большой скоростью и издает свист с частотой 30000-150000 Гц, не улавливаемой ухом человека. Давление воздуха, проходящего через гортань летучей мыши, в два раза больше давления пара у паровоза, что для маленького животного является большим достижением.
В гортани животного возникают 5-200 звуковых колебаний высокой частоты (ультразвуковые импульсы), которые обычно продолжаются всего лишь 2-5 тысячных доли секунды. Краткость сигнала является очень важным физическим фактором: только такой сигнал может обеспечить высокую точность ультразвукового ориентирования. Исходящие от расположенного на расстоянии 17 м препятствия звуки возвращаются до летучей мыши примерно за 0,1 секунды. Если продолжительность звукового сигнала превышает 0,1 секунды, эхо, отражаемое препятствиями, которые расположены на расстоянии менее 17 м, воспринимается ухом животного одновременно с порождающим его звуком. Между тем, по интервалу времени, разделяющему конец сигнала от первых звуков и эхо, летучая мышь определяет расстояние, которое ее отделяет от объекта, отразившего ультразвук. Вот почему звуковой сигнал столь короткий.
Установлено, что летучая мышь, по мере приближения к препятствию, увеличивает количество "сигналов". При нормальном полете гортань животного издает лишь 8-10 сигналов в секунду. Однако, как только животное обнаружит добычу, его полет ускоряется, число издаваемых сигналов достигает 250 в секунду. В этом состоит "изматывание" добычи путем изменения координат нападения. Аппарат "локации" у летучей мыши действует просто; и изобретательно. Животное летает с открытым ртом так, что издаваемые им сигналы излучаются в конусе с углом более 90°. Летучая мышь ориентируется путем сравнения сигналов, принимаемых ее ушами, которые остаются приподнятыми в течение всего времени полета, как приемные антенны. Подтверждением такого предположения является то, что если одно ухо не действует, летучая мышь совсем теряет способность ориентироваться.
Все летучие мыши подотряда Microchiroptera (мелкие летучие мыши), оснащены ультразвуковыми радарами различных моделей, которые могут быть разделены на три категории: мурлыкающие, скандирующие, кричащие или мыши с частотной модуляцией.
"Мурлыкающие" летучие мыши живут в тропических районах Америки и питаются фруктами и насекомыми с листьев. Иногда их мурлыкание при поиске мошек может услышать человек, если они издают звуки на частоте ниже 20000 Гц. И летучая мышь-вампир издает такие же звуки. Мурлыкая "кабалистические формулы", она ищет во влажных лесах Амазонки обессиленных путников, чтобы высосать из них кровь.
Скандирующими летучими мышами, издающими отрывистые звуки, являются rhinolofii, или летучие мыши-подковы, которые встречаются на Кавказе и в Центральной Азии; такое название они получили из-за формы складок вокруг носа. Подкова представляет собой репродуктор, который собирает звуки в направленный пучок. Скандирующие летучие мыши подвешиваются головой вниз и, поворачиваясь почти вкруговую, изучают окружающее пространство с помощью звукового пучка. Этот живой детектор остается висячим до тех пор, пока какое-нибудь насекомое не попадет в поле его звукового сигнала. Тогда летучая мышь делает рывок, чтобы схватить добычу. Во время охоты летучие мыши-подковы издают монотонные очень длительные по сравнению с их ближайшими сородичами (10-20 долей секунды) звуки, частота которых постоянна и всегда одинакова.
Летучие мыши в Европе и в Северной Америке изучают окружающее пространство с помощью звуков модулированной частоты. Тон сигнала и высота отражаемого звука постоянно изменяются. Такое устройство намного облегчает ориентирование по эху.
В полете летучие мыши последних двух групп ведут себя по-особому. Обыкновенные летучие мыши держат уши неподвижно, прямо, а летучие мыши с носом в виде подковы непрерывно производят движения головой, а уши у них вибрируют.
Однако рекордом в области ориентирования обладают летучие мыши, обитающие в районах Америки и питающиеся рыбой. Летучая мышь-рыболов летает почти у поверхности воды, резко пикирует и совершает прыжок в воду, опускает туда лапы с длинными когтями и выхватывает рыбу. Такая охота кажется удивительной, если учесть, что лишь тысячная часть испускаемой волны проникает в воду и также тысячная часть энергии эха от воды возвращается к локатору летучей мыши. Если к этому добавить, что часть энергии волны отражается в рыбе, мясо которой содержит большое количество воды, можно понять, какая ничтожно малая доля энергии достигает уха животного и какую фантастическую точность должен иметь его звуковой орган. Можно также добавить, что такую очень слабую волну нужно еще отличить от звукового фона множества помех.
70 миллионов лет существования летучих мышей на земле научили их использовать физические явления, которые еще неведомы нам. Обнаружение сигнала, возвращенного к своему источнику, значительно ослабленного и потонувшего в шуме помех, является технической проблемой, которая в высшей степени занимает умы ученых. Правда, в распоряжении человека имеется удивительный детектор на радиоволнах, так называемый радар, который за четверть века своего существования сделал чудеса, кульминацией которых явились зондирование Луны и точное измерение орбиты планеты Венера. Что бы делали без радара авиация, морской флот, противовоздушная оборона, географы, метеорологи, гляциологи белых континентов? И все же радиотехники мечтают о радаре на ультразвуках летучей мыши, бесспорно более совершенном, чем тот, который изобрел человек. Маленькое существо умеет отбирать и усиливать ничтожно малую остаточную фракцию сигнала, подаваемого среди океана помех. Сталкиваясь с чрезвычайно большим шумом, называемым сумасшедшим эфиром, инженеры и техники были бы счастливы, если бы могли использовать принципы улавливания сигнала, какими пользуются летучие мыши. Если радар остается блестящим детектором для больших расстояний, то локатор летучих мышей на основе эха остается идеальным средством для малых расстояний.
Все знают, что летучие мыши используют эхолокацию для перемещения. Даже пятилетние дети это знают. На сегодняшний день мы знаем, что эта способность не является уникальной для летучих мышей. Дельфины, киты, некоторые птицы и даже мыши тоже используют эхолокацию. Однако до недавнего времени мы не имели ни малейшего представления о том, насколько сложными и мощными на самом деле являются голоса летучих мышей. Учёные обнаружили, что эти уникальные существа используют свою странную вокализацию всевозможными поразительными способами. Ночь наполнена стрекотанием и писком этих воздушных охотников, и мы лишь только начинаем познавать все их секреты. Если вы считаете, что щелчки и свист дельфинов поразительны, то приготовьтесь узнать о настоящих мастерах звука.
10. Летучих мышей невозможно обмануть
Когда-то считалось, что летучие мыши могут замечать лишь двигающихся насекомых. На самом деле, некоторые мотыльки замирают, когда они слышат приближение летучей мыши. Судя по всему, большеухий листонос из южной Америки не знает об этом. Исследование показало, что они могут замечать спящих стрекоз, которые вообще не двигаются. Большеухая летучая мышь «окутывает звуком» цель при помощи постоянного потока эхолокации. За три секунды они могут определить съедобна ли выбранная ими цель. Таким образом, летучая мышь может полакомиться спящим насекомым, которое, по всей видимости, не слышит того, как на него кричит .
Естественно, учёные изначально считали это всё невозможным. Не было никакого повода предполагать, что эхолокация летучих мышей настолько чувствительна, что способна определять различные формы. Они подытожили это следующим образом: «Активное восприятие не издающей никаких звуков и не двигающейся добычи в густой растительности подлеска считалось невозможным». Тем не менее, большеухому листоносу это удаётся.
Чтобы ещё больше ввести учёных в замешательство, большеухий листонос также может отличить настоящую стрекозу от искусственной. Учёные протестировали летучих мышей, поставив настоящих стрекоз и искусственных, которые были сделаны из бумаги и фольги. Несмотря на то, что изначально все летучие мыши заинтересовались и подделками, ни одна из них не укусила искусственную стрекозу. Эти летучие мыши могут определить не только форму предмета при помощи эхолокации, но и услышать разницу в материале, из которого сделан этот предмет.
9. Летучие мыши определяют местонахождение растений с помощью эхолокации
Фотография: Ганса Хиллеваерта (Hans Hillewaert)
Огромное количество летучих мышей питается исключительно фруктами, однако на поиски пищи они вылетают только ночью. Так как же они находят еду в темноте? Учёные изначально считали, что они находят цель с помощью своего носа. Это происходит потому, что было бы довольно сложно при помощи одной лишь эхолокации отсортировать различные формы растений в густом листовом покрове. Теоретически, всё было бы как будто в тумане.
Конечно, вполне возможно, что летучие мыши видят насекомых на деревьях, но никто и подумать не мог, что эти крылатые грызуны могут использовать звук для определения типа растения (кстати, летучие мыши - это не грызуны). Тем не менее, летучие мыши подсемейства листоносых, известного как Glossophagine, могут делать именно это. Они находят свои любимые растения при помощи одного лишь звука. Учёные не имеют ни малейшего представления о том, как они совершают этот подвиг. «Эхо, создаваемое растениями, является очень сложными сигналами, отражающимися от множества листьев этого растения». Другими словами – это невероятно сложно. Однако у этих летучих мышей нет никаких проблем с использованием этого метода. Они определяют местонахождение цветов и фруктов без каких-либо проблем. У некоторых растений даже листья обладают формой спутниковых тарелок специально для привлечения летучих мышей. И опять-таки летучие мыши доказывают то, что нам ещё предстоит многое узнать о звуке.
8. Высокая частота
Ультразвуковой щебет летучей мыши может быть довольно высоким. Человек слышит звуки в диапазоне от 20 герц до 20 килогерц, что довольно хорошо. К примеру, самый лучший певец с голосом сопрано может достичь лишь ноты на частоте приблизительно в 1,76 килогерц. Большинство летучих мышей могут щебетать в диапазоне от 12 до 160 килогерц, что сравнимо с дельфинами.
Светлый украшенный гладконос издаёт самый высокочастотный звук из всех животных в мире. Их диапазон начинается с 235 килогерц, что намного выше частоты, которую способны услышать люди, и заканчивается на отметке в 250 килогерц. Это маленькое пушистое млекопитающее может издавать звуки, которые в 120 раз выше, чем голос самого лучшего певца в мире. Зачем же им нужно настолько мощное аудио оборудование? Учёные считают, что эти высокие частоты «значительно концентрируют сонар этого вида летучих мышей и уменьшают его дальность». В густых джунглях, где обитают эти летучие мыши, такая эхолокация может давать им преимущество в обнаружении насекомых среди всего шелеста листьев и веток. Этот вид может сфокусировать свою эхолокацию, как не может ни один другой вид.
7. Суперуши
Остроконечные уши летучих мышей никогда не получают достаточно внимания. Все интересуются лишь самим звуком, а не приёмным устройством. Поэтому инженерный отдел Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech), наконец-то, изучил уши летучих мышей. Изначально никто не верил в то, что они обнаружили. За одну десятую секунды (100 миллисекунд) одна из этих летучих мышей может «значительно изменить свою форму уха так, чтобы оно воспринимало различные звуковые частоты». Насколько это быстро? У человека уходит в три раза больше времени на то, чтобы моргнуть, чем у подковоносой летучей мыши на то, чтобы изменить форму своего уха так, чтобы настроиться на восприятие специфических эхо».
Уши летучих мышей являются суперантеннами. Они могут не только двигать своими ушами на молниеносных скоростях, но также могут «обрабатывать перекрывающие друг друга эхо, поступающие с разницей всего лишь в 2 миллионных секунды. Они также могут различать предметы, находящиеся всего в 0,3 миллиметра друг от друга». Для того, чтобы вам было легче это себе представить – ширина человеческого волоса равна 0,3 миллиметра. Поэтому совсем неудивительно, что военно-морские силы изучают летучих мышей. Их биологический сонар намного лучше любой технологии, изобретённой человеком.
6. Летучие мыши узнают своих друзей
Как и у людей у летучих мышей есть лучшие друзья, с которыми они любят общаться. Каждый день, когда сотни летучих мышей в колонии готовятся ко сну, они распределяются на одни и те же социальные группки снова и снова. Как же они находят друг друга в такой огромной толпе? Конечно же, при помощи крика.
Исследователи обнаружили, что летучие мыши могут узнать индивидуальные крики представителей своей социальной группы. У каждой летучей мыши есть «особенная вокализация, которая обладает индивидуальным акустическим образом». Звучит так, будто у летучих мышей есть свои имена. Эти уникальные индивидуальные акустические образы считаются приветствиями. Когда друзья встречаются, они нюхают подмышки друг друга – ведь ничто так не укрепляет дружбу как вдыхание аромата подмышек летучих мышей.
Ещё одним способом, при помощи которого летучие мыши передают индивидуальные сигналы, является охота за пищей. Когда множество летучих мышей охотятся в одной и той же области, они издают сигнал о нахождении добычи, который слышат остальные. Целью этого сигнала является своего рода заявление: «Эй, этот жук мой!». Удивительно, но эти крики при нахождении пищи также являются уникальными для каждой особи, поэтому, когда одна летучая мышь из целой стаи кричит «Моё!», все остальные летучие мыши в колонии знают, кто нашёл себе еду.
5. Телефонная система
Колонии мадагаскарских присосконогов являются кочевыми и постоянно движутся с места на место, чтобы избежать хищников. Они спят в свёрнутых листьях геликонии и калатеи, каждый из которых может вместить несколько маленьких летучих мышей. Так как же эти снующие пушистые шарики общаются с остальной колонией, если они расселяются по всему лесу? Они используют природную систему громкоговорящей связи, чтобы переговариваться со своими друзьями.
Воронки из листьев помогают усилить крики летучих мышей, находящихся внутри на целых две децибелы. Листья также отлично направляют звук. Исследования показывают, что летучие мыши, которые уже находились в своих платках из листьев, издавали особый звук, чтобы помочь своим друзьям их найти. Летучие мыши снаружи отвечали криком, играя в своего рода игру Марко Поло, пока не находили своих сородичей. Обычно у них не было никаких проблем с тем, чтобы найти правильный насест.
Листья ещё лучше работают в плане усиления звука входящих криков, увеличивая их громкость на целых 10 децибел. Это всё равно, что жить внутри мегафона.
4. Шумные крылья
Не все летучие мыши обладают развитой вокализацией. На самом деле, большинство видов крылановых не обладает способностью создавать те же щелчки и писки, которые большинство остальных видов летучих мышей используют для эхолокации. Тем не менее, это не означает, что они не могут передвигаться по местности в ночное время. Недавно было обнаружено, что многие виды крылановых могут ориентироваться в пространстве при помощи хлопающих звуков, которые они издают своими крыльями. На самом деле исследователи настолько поражены этим открытием, что они провели множество тестов только лишь для того, чтобы убедиться в том, что эти звуки не исходят из ртов этих летучих мышей. Они даже зашли настолько далеко, что заклеили рты летучих мышей и ввели анестетик им в языки. Эти мыши с заклеенным скотчем ртом и уколом лидокаина в язык были подвергнуты таким пыткам только для того, чтобы учёные могли на 100 процентов убедиться в том, что летучие мыши не обманывали их, используя свой рот.
Так как же эти летучие мыши используют свои крылья для создания звуков, используемых ими для эхолокации? Хотите – верьте, хотите – нет, но никто ещё этого не понял. Одновременное летание и хлопанье является секретом, который эти умные млекопитающие не хотят выдавать. Тем не менее, это является первым открытием использования звуков, не производимых голосом, для навигации и учёные этому очень рады.
3. Зрение шёпотом
Фотография: Райан Сомма (Ryan Somma)
Исходя из того, что летучие мыши находят свою добычу с помощью эхолокации, некоторые животные, например мотыльки, развили способность определять эхолокацию летучих мышей. Это является ярким примером классической эволюционной битвы между хищником и добычей. Хищник развивает у себя оружие, его потенциальная добыча находит способ противодействовать ему. Многие мотыльки падают на землю и находятся в неподвижном состоянии, когда они слышат приближение летучей мыши.
Землеройкообразный длинноязыкий вампир нашёл способ обойти чувствительный слух мотыльков. Учёные были удивлены, обнаружив, что эти летучие мыши питались почти исключительно мотыльками, которые должны были слышать их приближение. Так как же они ловят свою добычу? Землеройкообразный длинноязыкий вампир использует более тихую форму эхолокации, которую не могут определить мотыльки. Вместо эхолокации они используют «шёпотолокацию». Они используют эквивалент незаметности летучей мыши, чтобы хватать ничего не подозревающих мотыльков. Исследование ещё одного вида летучих мышей, использующих шёпот, под названием европейская широкоушка или курносый ушан, показало, что вокализация этого вида летучих мышей в 100 раз тише, чем у остальных видов.
2. Самый быстрый рот из всех
Существуют обычные, ничем не примечательные мышцы, но есть и те, которые можно охарактеризовать только как супер мышцы. Гремучие змеи обладают экстремальными мышцами хвоста, которые позволяют им греметь кончиком хвоста с невероятной скоростью. Плавательный пузырь иглобрюха является самой быстросокращающейся мышцей среди всех позвоночных. Если говорить о млекопитающих, то нет более скоростной мышцы, чем глотка летучей мыши. Она может сокращаться со скоростью 200 раз в минуту. Это в 100 раз быстрее, чем вы можете моргнуть. С каждым сокращением производится звук.
Учёные задумались над тем, каков верхний предел эхолокатора летучих мышей. Исходя из того, что эхо возвращается к летучей мыши всего за одну миллисекунду, их крики начинают перекрывать друг друга на скорости 400 эхо в минуту. Исследования показали, что они могут слышать до 400 эхо в секунду, поэтому их останавливает только гортань.
В теории, вполне возможно, что существуют , которые способны побить этот рекорд. Ни одно из известных науке млекопитающих не обладает мышцами, которые способны двигаться настолько быстро. Причина, по которой они могут совершать эти поразительные звуковые подвиги, заключается в том, что у них на самом деле больше митохондрий (батареек тела), а также переносящих кальций белков. Это даёт им больше мощи и позволяет их мышцам сокращаться гораздо чаще. Их мышцы буквально супер заряжены.
1. Летучие мыши рыбачат
Некоторые летучие мыши охотятся на рыбу. Это кажется совершенно нелепым, ведь эхолокация не проходит через воду. Она отражается от неё как мяч, ударяющийся о стену. Так как же летучие мыши, питающиеся рыбой, это делают? Их эхолокация настолько чувствительна, что они могут определить рябь на поверхности воды, которая выдаёт рыб, плавающих прямо у поверхности воды. Летучая мышь на самом деле не видит рыбу. Их эхолокация никогда не достигает самой добычи. Они находят рыбу, плавающую у поверхности воды считывая всплески воды на поверхности с помощью звука. Это просто потрясающая способность.
Оказывается, некоторые летучие мыши используют ту же технику для поимки лягушек. Если лягушка, сидящая в воде, видит летучую мышь, она замирает. Но её выдаёт рябь, расходящаяся по воде от её тела. Ещё одним интересным фактом о летучих мышах и воде является то, что с самого рождения они запрограммированы считать, что любая акустически гладкая поверхность является водой и они спускаются на неё, чтобы попить. По-видимому, если поставить большую гладкую пластину посреди джунглей, молодые летучие мыши будут нырять в неё мордой вниз, в попытке утолить жажду. Поэтому, с одной стороны, эхолокация летучих мышей настолько чувствительна, что они могут считывать поверхность озера как книгу. С другой стороны, молодые летучие мыши не могут отличить подноса от лужи.
Мы слышим только шелест крыльев, на самом же деле в подземной обители звучит чудовищный хор... Ян Линдблад. В краю гоацинов
Можете ли вы себе представить, какой ужасный шум обрушился бы на вас, если бы вы вдруг оказались среди тысяч самолетов, моторы которых работают на полную мощность? Вероятно, такую ситуацию вообразить очень трудно. Но давайте немного пофантазируем. Для начала предположим, что вы попали в пещеру, где полным-полно летучих мышей (впрочем, это еще не фантазия). Теперь допустим, что, попав в пещеру, вы неожиданно приобрели способность слышать сигналы ультразвукового диапазона, то есть те, частота которых выше 20 килогерц. Если бы все это случилось, вам, вероятно, пришлось бы перенести довольно неприятные ощущения. Вы были бы просто оглушены страшным ревом, источником которого явились маленькие крылатые жители пещеры. Дело в том, что громкость ультразвуковых криков многих видов летучих мышей на расстоянии 10 сантиметров от головы животного достигает 110-120 децибел. Примерно такой же шум, но в слышимом диапазоне частот производит авиационный двигатель на расстоянии 1 метра. Для сравнения надо отметить, что уровень громкости 130 децибел и выше вызывает у человека болевые ощущения.
Прежде чем объяснить поразительные способности летучих мышей к такому оглушительному крику, вспомним о некоторых свойствах ультразвука.
Одна из особенностей ультразвука состоит в том, чего можно излучать в виде почти параллельного узкого пучка, в то время как звуки слышимого диапазона, как правило, излучаются во всех направлениях. Это свойств ультразвука объяснимо с точки зрения общей дифракции волн.
Возможность образования ультразвуковых пучков позволяет фокусировать энергию сигнала в определенное место. Интенсивность ультразвука увеличивается пропорционально квадрату частоты колебаний, и поэтому, повышая частоту, можно относительно легко получить ультразвуки огромной силы. Однако большое количество энергии ультразвука теряется при прохождении в среде, в связи с чем сигнал быстро затухает.
Из всего сказанного понятно, почему летучим мышам так легко удается излучать интенсивные сигналы высокой направленности. Ясно также и то, что сигналы меньшей интенсивности терялись бы в воздухе, не давая зверькам возможности воспользоваться одним из удивительных способов ориентации в пространстве - эхолокацией.
Летучие мыши давно уже стали классическим объектом изучения эхолокации животных, а их "сонары" сделались едва ли не самой популярной темой всевозможных статей и публикаций о "патентах природы". История открытия, вернее, исследования эхолокации насчитывает без малого 200 лет и ведет свое начало с 90-х годов XVIII столетия.
Профессор университета итальянского города Павии Лазаро Спалланцани был уже немолод, когда он впервые заинтересовался способностью ночных животных находить путь в темноте. Среди своих коллег ученый к тому времени был достаточно известен трудами в различных областях естествознания.
Первые опыты Спалланцани провел в 1793 году. Сначала он установил, что летучие мыши свободно передвигаются в темном помещении, в котором даже такие, казалось бы, зоркие ночные животные, как совы, беспомощны. Спалланцани решил, что весь секрет кроется в чрезвычайной остроте зрения летучих мышей, позволяющей им ориентироваться в полной темноте. Чтобы проверить свое предположение, он, ослепив нескольких летучих мышей, выпустил их на волю. Лишенные зрения зверьки прекрасно летали и даже ловили насекомых.
Спалланцани, уверенный в том, что летучие мыши обладают неизвестным доселе чувством, тут же разослал ученым-коллегам письма с просьбой повторить эксперименты и сообщить ему о результатах. Многие из них подтвердили правильность исследований Спалланцани. Но швейцарский натуралист Шарль Жюрин, повторив описанные Спалланцани опыты, на этом не остановился и предпринял еще один шаг на пути раскрытия тайны летучих мышей. Оказалось, что если залепить уши животных воском, то он: начинают натыкаться на препятствия. Жюрин сделал вывод: летучие мыши "видят ушами".
Летучая лисица (Pteropus)
Спалланцани проверил опыты Жюрина и, убедившие в их достоверности, пришел к заключению, что летуча: мышь может прекрасно обходиться без зрения, но потер: слуха неминуемо ведет ее к гибели. Однако дать убедительного объяснения способности зверьков ориентироваться при помощи слуха Спалланцани не смог. Выводы его вскоре были отвергнуты, а впоследствии и вовсе забыты! Противники его идей, издеваясь над "слуховой" теорией, насмешливо вопрошали: "если летучие мыши видят своими ушами, то не слышат ли они своими глазами?"
Крупнейший французский ученый того времени Жорж Кювье, разгромив выводы Жюрина и Спалланцани, выдвинул свою умозрительную теорию. По его мнению, крылья летучих мышей обладают высокой чувствительностью и могут улавливать даже самое незначительное сгущение воздуха, которое образуется между крылом и препятствием. Эта гипотеза Кювье, получив название "тактильной теории", была признана многими учеными и просуществовала в науке более 100 лет. За весь этот период к вопросам, касающимся ориентации летучих мышей, не было прибавлено ни одного свежего факта. Несмотря на то, что некоторые исследователи изредка вспоминали о заботой "слуховой теории", их эксперименты не заходили дальше тех, которые уже были проведены Спалланцани и Жюрином.
В начале нашего столетия, после трагического случая с трансатлантическим лайнером "Титаник", многие ученые принялись ломать головы над созданием устройства, обеспечивающего кораблю сигнализацию при приближении к айсбергу. Не остался в стороне от этой проблемы известный американский изобретатель Хайрем Максим, тот самый, чье имя носит скорострельный станковый пулемет. Максим был первым, кто высказал мысль о том, что летучие мыши используют в полете звуковую локацию, и предложил применить принцип эхолокации в приборе для обнаружения невидимых объектов. Ошибка Максима была в том, что он предполагал наличие у летучих мышей ориентационных сигналов низких инфразвуковых частот, нет слышимых человеческим ухом. Источником таких звуков, по мнению изобретателя, могли служить машущие крылья зверьков.
Во время первой мировой войны французский физик Ланжевен получил патент на изготовление прибора для обнаружения подводных объектов при помощи генератора ультразвука. В 1920 году английский нейрофизиолог Хартридж, зная о работах Ланжевена, высказал гипотезу о том, что механизм эхолокации летучих мышей, вероятно, основан на использовании ультразвуков. Однако гипотеза оставалась гипотезой, так как экспериментальных подтверждений сделано не было.
Окончательно дело прояснилось только в 1938 году. Решающую роль в открытии сыграло сотрудничество представителей разных наук - физики и биологии. Незадолго до этого в лаборатории физического факультета Гарвардского университета профессор Пирс сконструировал прибор для преобразования высокочастотных звуков в колебания более низкой частоты, слышимой человеческим ухом. Узнав о существовании звукового детектора - так назывался этот прибор,- студент-биолог того же университета Дональд Гриффин принес однажды в лабораторию Пирса клетку с летучими мышами. Это были широко распространенные в США малая бурая ночница и большой бурый кожан. Когда микрофон детектора направили на клетку, из громкоговорителя на ученых обрушился оглушительный поток трескучих звуков. Стало совершенно ясно, что летучие мыши издают сигналы в диапазоне частот, лежащих выше порога слышимости человека.
Аппарат Пирса был устроен таким образом, что при необходимости можно было установить распределение интенсивности звуков по частотам. Проводя исследования, Гриффин и Пирс обнаружили, что частоты звуков, испускаемых летучими мышами в полете, лежат в пределах 30- 70 килогерц, а наивысшей интенсивности сигналы достигают в диапазоне 45-50 килогерц. Кроме того, ученые выяснили, что зверьки излучают звуки не непрерывно, а в виде коротких импульсов длительностью 1-2 миллисекунды.
Вскоре после этого Гриффин и Галамбос провели ряд экспериментов, в которых доказали, что лишить летучую мышь возможности хорошо ориентироваться среди препятствий можно не только затыкая ей уши, но и плотно закрывая рот. Эти опыты подтвердили высказанную некогда Хартриджем гипотезу о наличии у летучих мышей сигналов ультразвукового диапазона и их использовании при ориентации в пространстве.
Бабочка медведица Bertholdia trigona - единственное известное в природе животное, способное защищаться от летучих мышей путем глушения их локационных сигналов.Мыши не могут научиться ловить этот вид медведиц, издающий характерные ультразвуковые щелчки. Однако как именно действуют щелчки бабочек B. trigona на летучих мышей, было неизвестно. Американские биологи поставили поведенческие эксперименты, в которых они проверяли три возможных механизма. Оказалось, что сигналы, издаваемые B. trigona , уменьшают точность, с которой летучая мышь определяет расстояния до нее. В результате издаваемых бабочкой щелчков летучая мышь меняет характер своих сигналов, что еще более затрудняет возможность поймать бабочку. Авторы считают, что такое поведение B. trigona могло возникнуть из более древнего способа защиты, известного у некоторых бабочек, - когда акустическая сигнализация сопровождается выделением химических веществ, отпугивающих хищника.
Летучие мыши и ночные бабочки соревнуются в эволюционной гонке по крайней мере в течение 50 миллионов лет. В процессе этой борьбы бабочки выработали достаточно простую конструкцию слуховых органов , которая способствует быстрому предупреждению о приближающейся опасности и запуску реакции избегания хищника. Бабочки из семейства медведиц , или Arctiidae, кроме того, способны издавать ультразвуковые щелчки, причем разные виды делают это по-разному. Многие из них издают щелчки достаточно редко, но акустический сигнал сопровождается выделением пахучих веществ, которые отпугивают летучих мышей. Другие виды научились подражать этим несъедобным бабочкам, щелкая и не выделяя никаких запахов (Barber, Conner, 2007). Еще один из способов защиты - щелканье в целях испугать неопытную летучую мышь. Этот способ, однако, не очень надежен, так как мыши учатся и через несколько попыток перестают обращать внимание на щелканье бабочки.
Недавно американские ученые из Университета Уэйк-Фореста показали, что один вид медведиц, Bertholdia trigona, может издавать частые ультразвуковые сигналы, которые глушат эхолокационные сигналы летучих мышей (Corcoran et al., 2009). Замечательно, что летучие мыши не способны научиться бороться с этой преградой: после многочисленных попыток мыши так и не удается поймать бабочку. Теперь те же авторы поставили задачу выяснить механизм, с помощью которого B. trigona так умело защищает себя (Corcoran et al., 2011). Они предложили три гипотезы.
Согласно первой - гипотезе иллюзорного эха , - летучая мышь может путать сигналы бабочки с эхом собственного сигнала от объекта, которого не существует. В этом случае мышь должна менять траекторию полета, улетая от несуществующего объекта. Согласно второй - гипотезе дистанционной помехи , - сигналы, издаваемые бабочкой, могут уменьшать точность определения летучей мышью расстояния до жертвы. Это может происходить в том случае, если щелчки бабочки опережают эхо от собственного сигнала летучей мыши. Наконец, согласно третьей - гипотезе маскировки , - сигналы бабочки могут полностью маскировать ее, и она оказывается «невидимой» для летучей мыши.
Поведение летучей мыши в эксперименте может показать, какая гипотеза правильная. Мышь либо будет менять траекторию полета, либо будет пытаться поймать бабочку и промахиваться, либо не будет воспринимать бабочку вообще и будет продолжать полет.
Поведенческие эксперименты проводили в течение семи ночей в звуконепроницаемой комнате размером 5,8×4,0×3,0 м. В экспериментах использовали широко распространенного в Америке бурого кожана, Eptesicus fuscus, относящегося к семейству гладконосых летучих мышей . Эксперименты проводили на трех особях E. fuscus .
Предварительно было показано, что все три мыши охотно ели исследуемый вид медведиц в том случае, если бабочки не издавали звуков (отсутствие акустических сигналов было зафиксировано у 22% бабочек). Перед каждым экспериментом проверяли, насколько надежно мышь ловит контрольных бабочек, не издающих сигналов. В качестве контроля использовали Galleria melonella . После этого каждую ночь 16 бабочек (4 - B. trigona , 4 - другие виды медведиц, не издающие звук, 8 - G. melonella ) в случайном порядке предъявляли одной летучей мыши. Бабочки были закреплены на нити длиной 60 см. Мышь могла атаковать бабочку несколько раз, но для анализа учитывали только первую атаку.
Все эксперименты записывались на две скоростные видеокамеры (250 кадров в секунду). Эти записи анализировали с помощью компьютерной программы (MATLAB), которая позволяла посчитать трехмерные координаты объектов в поле зрения камер. В итоге рассчитывали вектор полета, минимальное расстояние между мышью и бабочкой и вектор от мыши к бабочке в каждый момент каждого взаимодействия. Угол φ определяли как угловое отклонение между вектором полета мыши и вектором между мышью и бабочкой (рис. 1).
Бабочки B. trigona , как и остальные медведицы, издают щелчки так называемыми тимбальными органами (см. Tymbal). Эти органы хорошо исследованы у певчих цикад, но у бабочек они имеют несколько иное строение. На тимбальных склеритах у медведиц имеются бороздки, которые позволяют им генерировать щелчки с высокой частотой. Серии щелчков генерируются как при активном изгибании тимбального склерита внутрь (active cycle), так и при пассивном возвращении склерита (passive cycle, рис. 2). Средний интервал между щелчками B. trigona , равный 325 мкс, оказывается меньше, чем разрешающая способность уха летучей мыши (400 мкс), поэтому вся серия щелчков воспринимается мышью как непрерывный звук. На рис. 2 также видно, что частотный спектр сигнала бабочки удивительным образом имитирует спектр сигнала летучей мыши.
В поведенческих экспериментах авторы наблюдали три типа поведения летучих мышей. Во-первых, прямую атаку, когда мышь подлетала и пыталась схватить бабочку (рис. 3А); во-вторых, атаку близкого действия, когда мышь не пыталась схватить бабочку, но продолжала атаку после того, как бабочка начинала щелкать (рис. 3В); в-третьих, избегание, когда мышь прекращала атаку вскоре после начала щелканья бабочки и также не пыталась ее схватить (рис. 3С). Три типа поведения различались по величине угла φ (рис. 3D–F). В случае прямой атаки значения φ не превышали доверительного интервала контрольных атак. При атаке близкого действия значения φ уменьшались или были постоянны после начала щелканья бабочки, но под конец следовал сильный скачок, превышающий доверительный интервал. При избегании значения φ начинали расти сразу после того, как бабочка начинала щелкать.
Эхолокационные сигналы мыши также различались во всех трех случаях (рис. 3G–I). В случае прямой атаки сигнал заканчивался типичной трелью, которая всегда присутствовала в атаках на контрольную бабочку (рис. 3G, 4А). Интервал между щелчками мыши был в среднем 6 мс. В атаке близкого действия доминировали обычные щелчки, следующие с интервалом 10–40 мс, которые обычно издаются мышами в поисковом поведении. Если трель и производилась, то очень короткая (рис. 3H, 4В). При избегании мышь начинала издавать редкие щелчки вскоре после того, как бабочка начинала щелкать, и вообще не издавала трели (рис. 4С).
Опыт летучей мыши в экспериментах имел большое значение. Поведение избегания преобладало в течение двух первых ночей (рис. 5), тогда как с 3-й по 7-ю ночь доминировали атаки близкого действия. Это говорит о том, что вначале мыши пугались щелкающих бабочек, но потом привыкали. Тем не менее, только 30% атак заканчивались успешно, и атаки были успешны лишь в тех случаях, когда бабочки мало щелкали. Это подтверждает сделанное авторами предположение, что щелчки бабочки эффективны для глушения сигналов мышей только в том случае, если они генерируются с высокой частотой. В атаках близкого действия мышь промахивалась в среднем на 16 см.
Эти результаты, по мнению авторов, соответствуют предсказаниям гипотезы дистанционной помехи. Низкий процент избеганий в течение 3–7 ночей говорит о том, что мыши не пытаются уклоняться от иллюзорных помех. Приближение мыши к бабочке на относительно короткое расстояние и попытки атак показывают, что бабочка не полностью маскируется, а следовательно, гипотезу маскировки также можно отклонить.
Известно, что, когда летучая мышь приближается к своей жертве, интервалы между щелчками, длительность и интенсивность сигнала уменьшаются. Эти изменения в сигнализации мыши чрезвычайно адаптивны. Высокая частота щелчков позволяет мыши быстро обновлять свою «локационную информацию», тогда как малая длительность сигнала предотвращает перекрывание сигнала и эха, которое начинает приходить быстрее по мере приближения к жертве. В экспериментах с B. trigona авторы наблюдали обратную ситуацию: длительность сигналов и интервалы между щелчками E. fuscus увеличивались. Такая реакция мыши должна еще более осложнять нахождение потенциальной жертвы. Авторы сравнивают это поведение с поведением других млекопитающих, которые таким же образом меняет свой сигнал в условиях высокого шума. Показано, что в этом случае улучшается распознавание сигналов.
Считается, что исходно медведицы генерировали редкие щелчки для рассеивания химических веществ с целью предупреждения о своей несъедобности. Очевидно, что эволюция акустической сигнализации у бабочек шла по пути совершенствования звуковых органов, в частности развития бороздок на тимбальной мембране и поочередной активации тимбалов, что позволило им генерировать щелчки с высокой частотой. В результате некоторые виды (а авторы верят, что B. trigona - не единственный вид бабочки, способный глушить сигналы летучих мышей) выработали такой замечательный способ защиты от достаточно изощренного хищника.
